Biochemie des Sehens
ABI-Skizze: Feinbau eines Stäbchens (nach dem ElMi)
  1. Zellkern
  2. Mitochondrium
  3. Zellmembran
  4. Zellplasma
  5. Dictyosom
  6. synapt. Bläschen
  7. Synapse
  8. Membranstapel = Disks mit Rhodopsinmolekülen
  9. Außensegment

Beachte: die Stäbchen sind durch den inversen Bau der   Netzhaut lichtabgewandt! Die lichtempfindlichen Außensegmente sind der Aderhaut zugewandt. Das Licht muss vorher die drei Netzhautschichten passieren.
Biochemische Abläufe im Stäbchen nach Belichtung:
1) 
Lichtabsorption		 Licht erreicht die Rhodopsin-Moleküle, die in der Disk-Membran liegenàdurch Absorption der Lichtenergie wird das lichtempfindliche Rhodopsin zu einer chem.Reaktion angeregt. ("gebleicht", da es vorher rot gefärbt war und nachher farblos ist)

 

2) 
Fotochemische Reaktion setzt eine Erregungskaskade
in Gang		 Rhodopsin besteht aus dem Membranprotein Opsin und dem farbgebenden 11-cis-Retinal. Das cis-Retinal wandelt sich bei Belichtung in das stabilere  trans-Retinal um. Das trans-Retinal löst sich vom Opsin abà  Die Belichtung bewirkt also, dass  Rhodopsin in Opsin und trans-Retinal zerfällt.

3)
Signalverstärkung durch
"second messenger" 
à Rezeptorpotenzial		 Das freie Opsin setzt nun mit Hilfe eines zweiten Botenstoffs* (=second messenger) eine Reaktionskette in Gang, an dessen Ende es zu einer Veränderung** der Membran- Durchlässigkeit für Na+-Ionen kommt. Ergebnis ist das Rezeptorpotential. 
*siehe Schema Übungsaufgabe 2a
** Bei Wirbeltieren wird die Na+-Durchlässigkeit geringer  à   Hyperpolarisation von -20 mV nach -60 mV

4) synaptische Vorgänge

Amplituden-
codierung

 Dunkelheit: Die Stäbchenzelle ist depolarisiert, die Na+-Kanäle sind geöffnet. An der Synapse werden ständig hemmende Transmitter ausgeschüttet, die nachfolgenden Zellen sind gehemmt.
Licht: Es entsteht das Rezeptorpotential. Die Lichtsinneszelle wird hyperpolarisiert, die Transmitterausschüttung wird gedrosselt, die Hemmung der Bipolaren fällt weg. -->
Je größer die Amplitude des Rezeptor-Potenzials, desto stärker die Erregung des Sehnervs --> desto höher die AP-Freqenz des Sehnervs (siehe Synapsenverrechnung)
5) Regeneration des Rhodopsins

Unter ATP-Aufwand (Mitochondrien!) wird das trans-Retinal  wieder in 11-cis-Retinal umgewandelt und mit Opsin zu lichtempfindlichem Rhodopsin regeneriert.
(Bleichung + Regeneration = „Rhodopsin-Zyklus")

Hierbei ist Vitamin A (eine chemische Vorstufe des trans-Retinals) notwendig. Es muss in der Nahrung enthalten sein, um genügend Rhodopsin herstellen zu können.
Vitamin A - Mangel -->  Nacht- oder Dämmerungs-Blindheit
Vitamin A ist in: Karotten, Salat, Butter...

Formel von Retinal: (nicht verlangt)
Übungsaufgaben:

1)

2a) Beschreiben Sie mit Hilfe des folgenden Schemas die Sehkaskade im Sinne des second-messenger-Prinzips.
2b) Begründen Sie, warum eine kurze Belichtung zu einer Signalverstärkung d.h. zu einer anhaltenden Hyperpolarisierung führt.

c) Ergänzen Sie in folgender Graphik die Wirkung einer Belichtung auf das Membranpotenzial eines Stäbchens. 

  

d) Begründen Sie die Notwendigkeit einer ständigen Regeneration des Rhodopsins.
e) Welche Rolle spielt dabei das Vitamin A?

3) Analysieren Sie diesen Text aus Bild der Wissenschaft 2/2001 und versuchen Sie folgende Sachverhalte schematisch vereinfacht darzustellen:
a) Der Weg vom Auge bis zur Sehwahrnehmung.
b) Die photochemische Reaktion bei der Rhodopsinbelichtung und Rhodopsinkreislauf .
c) Die Sehkaskade

4) Die Geschmacksempfindung im Sinnesorgan Zunge ist in den Geschmacks-Papillen lokalisiert. Dort befinden sich Ansammlungen von Sinneszellen, die auf bestimmte chemische Reize reagieren. Die Erregung wird synaptisch auf sensible Neuronen übertragen. Diese leiten die Erregung zum Gehirn und lösen dort z.B. die Empfindung "süß" bzw. "sauer" aus.
Der molekulare Mechanismus der Erregungsbildung in den Sinneszellen ist teilweise aufgeklärt .

Material 1: Allgemeiner Aufbau einer Geschmackspapille in der Zunge
Material 2: Eine Schmecksinneszelle, die auf Säuren reagiert (vereinfacht)
Material 3: Eine Schmecksinneszelle, die auf Süßstoffe reagiert (vereinfacht)

a) Begründen Sie die Membranfaltungen an der Oberseite der Sinneszellen.
b) Vergleichen Sie die Unterschiede in der Erregungsbildung der beiden Sinneszellen.
c) Überlegen Sie sich eine denkbare Möglichkeit, wie die Zunge "taub", d.h. geschmacksblind werden könnte.
d) Überlegen Sie sich eine möglichen Grund, warum künstliche Süßstoffe trotz fehlender chemischer Ähnlichkeit mit
Zucker dennoch eine Erregung auslösen können.
Lösungsvorschlag:

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